协作研究图表可以找到数百种新的氮化物

安德里·扎库塔耶夫(Andriy Zakutayev)知道，科学家在新的氮化物矿物上绊倒的可能性与先前未被发现的陆地上发生的船舶大致相同。

美国能源部(DOE)国家可再生能源实验室(NREL)的科学家扎库塔耶夫说：“如果你发现自然界中有任何氮化物，它可能就是陨石。”

当金属元素与氮结合时，氮化物可以具有独特的性质，从半导体到工业涂料的潜在应用。一种氮化物半导体是获得诺贝尔奖的发光二极管(LED)技术的基石。但是在氮化物可以使用之前，首先必须发现它们 - 现在，研究人员有一张地图来指导它们。

NREL科学家的一项开创性研究工作; 劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL); 科罗拉多大学博尔德分校(CU); 全国各地和其他合作机构最近发表了“无机三元金属氮化物图谱”，刊登在“ 自然材料 ” 杂志上。该论文的特点是三元氮化物的大稳定性图，突出了实验发现很有希望的氮化物组合物，以及其中不太可能形成氮化物的其他组合物。对于试图在实验室中制造新氮化物的化学家来说，这张地图将是一个非常有价值的工具。

本文的主要作者，LBNL的工作人员科学家孙文浩将材料发现比作过去世界的探索。“航行到未知世界是一项非常冒险的尝试，”Sun解释道，“同样地，探索新的化学空间也是有风险的。如果你进入实验室并将不同的元素混合在一起，你可能会制造一种新的化合物或者你可能没有。如果你没有找到你正在寻找的新材料，那可能会浪费大量的时间和精力。地图有助于指导探险家，让他们更好地导航。在这里，我们建立了化学地图引导氮化物的探索性合成。“

地图的交互式版本显示稳定的三元氮化物以蓝色突出显示，表明它们是实验的良好候选者。

该中心资助的其他研究发现了将材料与合金结合起来的新方法，以及合成可能构成下一代半导体基础的特定材料多晶型物。新的氮化物研究经过几年的研究亚稳态材料以及将其用于各种技术(包括半导体)的潜力。

探索亚稳材料

亚稳材料随着时间的推移会变得更加稳定。例如，钻石是亚稳态的，因为它们最终会变成石墨，这是一种更稳定的多晶型碳。但是在这个例子中花费的时间相当长 - 数百万年 - 所以研究人员不应该忽视亚稳化合物的使用。

“如果你只使用稳定的材料进行材料设计，”Sun说，“你的选择是有限的。但如果你开始考虑可以制造哪种亚稳材料，你就会增加你的设计空间。”

“我们的EFRC团队着手将亚稳化合物纳入材料设计中，”Tumas补充道。“这项工作展示了理论家和实验家之间合作的力量，将团队方法中的计算，综合和表征技巧相结合。”

除了NREL，CU和LBNL之外，俄勒冈州立大学和SLAC国家加速器实验室的科学家们在绘制，表征和理解潜在的新氮化物方面提供了专业知识。“这非常属于团队合作，”孙说。“这绝对让每个人都在一起工作。”

在开始与NREL的持续合作之前，Sun确定亚稳态材料占氮化物化合物的很大一部分，并在2016年底发布了他的发现。“在写完之后，很明显这将是一个很好的团队努力探索氮化物，“孙说。“NREL多年来一直在制造亚稳态氮化物。”

加上NREL证明合成高亚稳氮化物薄膜的能力(在Zakutayev的2016年关于该主题的评论文章中描述)启发了Sun，Zakutayev和其他人在2017年发表的关于二元氮化物的文章。最新发表的三元研究氮化物是下一个合乎逻辑的步骤。

三元氮化物的世界尚未得到彻底的探索，因为由氮和两种金属组成的化合物难以合成。新三元氮化物的预测依赖于计算材料科学，使用机器学习算法来绘制先前未知的空间。与传统的反复试验方法相比，这加速了这一过程。

地平线上更多的氮化物

虽然地球大气中的氮含量远远超过氧，但氮氧化物形成的氧化物要比氮化物容易得多。例如，在外面留下一块铁，最终会生锈或氧化。那是因为氧原子之间的键很容易脱落。但氮原子保持紧张。

“氧化物和氮化物通常具有相似的化学性质，”Zakutayev说，他致力于开发可再生能源技术的新材料，并在合成氮化物方面有着良好的记录。“但是对于记录的每种氮化物，有14种氧化物。如果化学性质相似，那么就没有理由应该存在很多其中的很少一种。这是一个非常大的发现机会。”

然而，在研究人员绘制氮化物之前，他们首先需要预测新的氮化物材料。他们使用高通量计算材料科学，首先通过用新元素取代已知的氮化物来考虑6,000种潜在的氮化物化合物。在检查了这些可能的氮化物的稳定性后，他们预测了203种新的稳定的三元氮化物化合物。到目前为止，已知仅存在213种稳定的氮化物。

前两种三元氮化物是在1927年发现的，第三种是在八年后发现的。从那以后，偶尔发现了新的氮化物。这批203是迄今为止在一年中发现的最大数量的潜在新氮化物。

“从历史上看，氮化物的发现一年三到四年，从实验上讲，”扎库塔耶夫说。

在地图的指导下，Zakutayev和他的团队最初能够在实验室中合成七种新的三元氮化物。自撰写论文以来，已经合成了几种氮化物。

综合证明了预测的准确性

“到目前为止，我们正在打击一千人，”持有CU-NREL联合任命的研究教授霍尔德说，他是新论文的合着者。“我们预测的每一种三元氮化物都可以制成稳定的化合物。”

作者在论文中指出，合成七种新氮化物的能力验证了其他氮化物存在的预测“，并强调了计算材料发现在加速新化学空间中探索性合成中的重要作用。”

该研究还通过指示一组金属形成稳定或亚稳态三元氮化物的倾向，为元素周期表提供了另一个维度。例如，钙因其产生氮化物的能力而脱颖而出。锂也是如此。科学家们还能够对在氮化物研究中无用的金属进行折扣。“黄金不希望与氮结合，”霍尔德说，“并且添加另一种金属不会足以使其稳定下来。”

现在，人们对氮化物有了更深入的了解，研究人员可以继续确定它们的最佳用途。2014年诺贝尔物理学奖授予了三位研究人员，他们将几层氮化镓组合在一起，发明了一种蓝色LED。将蓝光与高效荧光粉相结合，可以创造出持久耐用的白光LED灯泡。氮化物团队在更广泛的范围内看到了更多的应用。

“当然，这些材料有许多可能的新功能应用，”Sun说。“它们中的一些是半导体，其他可能是超导体。它们中的许多可能还有我们甚至没有想过的应用。有很多方向可以实现。”